大跨空间结构中国网壳结构的发展与应用

大跨空间结构中国网壳结构的发展与应用

论文摘要; 近10年来，中国的网壳结构获得了迅速的发展，应用范围日益扩大。网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观，综合技术经济指标好的特点，是大跨度、大空间结构的主要结构形式之一。本文简述我国网壳结构发展的历史、各类网壳结构的应用情况，并就网壳结构的形式与分类、计算方法、设计与构造、施工安装方法诸问题作了综合阐述。最后提出了进一步推广应用网壳结构的若干建议和要研究探索的技术问题。

关键词: 大跨度空间,中国，网壳结构，发展，应用

一、我国网壳结构发展概况

网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构在解放初曾有所应用。当时主要是一类联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材，跨度在30m左右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心（551厂）、上海长宁电影院屋盖结构等。作为有影响的我国第一幢大跨度网壳结构是天津体育馆屋盖，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸为5 2m X68m，矢高为8.7m，用钢指标为45kg每平米。该网壳1956年建成，1973年因失火而重建。此后，截至1992年上半年，据不完全统计，我国已建成各类网壳近80幢，覆盖建筑面积约70000平米，其中80％是近10年兴建的。如1989年建成的北京奥林匹克体育中心综合体育馆，平面尺寸为70m X 83.Zm，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的网壳结构。同年建成的濮阳中原化肥尿素散装库，平面尺寸为58mX135 m，采用双层正放四角锥圆柱面网壳，为国内覆盖建筑面积最大的网壳结构，也是第一个采用螺栓球节点的网状筒壳。1967年建成的郑州体育馆，采用肋环形穹顶网壳，平面直径64 m，矢高9.14m，为国内跨度最大的单层球面网完。又如1988年建成的北京体院体育馆，采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳，平面尺寸为59.2m见方，矢高3.5m,挑檐3.5m，为我国跨度最大的四块组合型扭网壳。再如1990年建成的石家庄新华集贸中心营业厅，采用两向正交正放双层双曲扁网壳，平面尺寸为40m见方，矢高3.13m，挑檐1.5m，为目前国内跨度最大的双曲扁网壳。值得指出的是1984年建成的汾西矿务局工程处食堂，采用了一种钢筋混凝土屋面板与钢网壳共同工作的组合双曲扁网壳，平面尺寸为18mX24m，矢高为3.5m。

二、网壳结构的形式与分类

我国已建成的网壳结构一般可分为以下各种类型和形式。

（1）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。

（2）按曲面的外形分，主要有球面网壳、双曲扁网壳、圆柱面网壳（包括其它曲线的柱面网壳）、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等四类（图6）。

（3）按网壳网格的划分来分，有以下两类。

对于球面网壳主要有Schwedler型。联方网格型、三向网格型、Kn（n=6, 8,10……）型、肋环型和短程线型等。

对于圆柱面网壳主要有联方网格型、单斜杆型（直角三角形网格）、三向型（等腰三角形或正三角形网格），如图8所示。

三、网壳结构工程实例

现将我国已建（包括在建）网壳结构工程实例，按曲面外形分类叙述如下。

（l）球面网壳工程实例，。其中山西稷山选煤厂煤库穹顶，平面直径为47.2m，采用了我国自己研制成功的嵌入式毂式节点单层球面网壳，每平米用钢指标仅为20.2kg，是我国目前按空间结构计算方法设计建成的跨度最大的网状球壳。中国科技馆球幕影院穹顶，球径为35m。是目前跨度最大近乎全球的（3/4球）螺栓球节点双层网状球壳，网壳内层为短程线型网格，外层为外露呈六边形、五边形网格，结构形体新颖美观。福州师专阶梯教室屋盖，平面直径为24m，首次采用了局部双层的螺栓球节点K6型网状球壳，以提高单层螺栓球节点网壳的稳定性。济南动物园亚热带鸟馆顶盖，平面直径为40m，采用倾斜1／8的三向网状扁球壳。某3万平米的油罐顶盖，平面直径为46m，采用工字钢截面杆件、板式节点的短程线型球面网壳，是当前跨度最大的油罐顶盖网壳。大连青少年宫球幕影院和天象馆穹顶，平面直径分别为16.166m和9.84m，分别采用了直径22和20圆钢杆件的单层K6-联方形球面网壳。球面网壳工程实例和型体研究的部分资料可见文献.

（2）圆柱面网壳工程实例，其中浙江横山钢铁厂材料库，平面尺寸为24mX36m,采用带有纵向边桁架的五波单层圆柱面网壳，是我国最早建成的按空间结构工作设计计算的圆柱面钢网壳。乌鲁木齐机场飞机库，平面尺寸为51.5mX60m，采用钢筋混凝土联方型圆柱面网壳,是国内跨度最大的钢筋混凝土联方型柱面网壳结构。圆柱面网壳工程实例的部分资料可见文献.

四、网壳结构的计算

网壳是由多根杆件连接而成的，其节点通常为刚性连接，能传递轴力和弯矩，因而网壳结构是比网架结构阶数更多的高次超静定结构，早年，将网壳结构等代的连续体，按平面的或空间的连续结构进行分析计算。近10年来，由于电子计算技术迅速发展和推广应用，大多采用离散化的有限元分析方法，并编制专用程序计算网壳结构。归纳起来，网壳结构的分析计算方法有以下几种：

（1）平面拱计算法。对于有拉杆或落地的网状筒壳，可在纵向切出单元宽度，按双铰供或无铰供计算；对于肋环形网状球壳及不计斜杆作用的Schwedler型网状球壳，在轴对称

荷载作用下（可在环向如同切西瓜那样取出单元弧度，内有一根对称的径向杆件），按具有水平弹性支承的平面拱计算，弹性支承的刚度可由环向杆件的刚度及其所在位置确定。

（2）有限元法，主要是空间梁元法，或称空间刚架位移法。对空间梁元的每个端结点要考虑三个线位移和三个角位移，相应地有三个集中力和三个弯（扭）矩，也就是说每个网壳结点有六个自由度。由空间梁元的刚度方程，可建立整个网壳的刚度方程，然后根据边界条件即可求解。空间梁元法是网壳结构的精确计算方法，它适用于任意形状、任意边界条件的网壳结构。

（3）拟壳法，这是一种连续化的分析方法。把离散的网壳结构比拟为连续壳体，由能量原理等方法可确定壳体的等代薄膜刚度和抗弯刚度，进而按各向异性壳体（大多情况下可等代为正交异性壳体或各向同性壳体）的基本理论来建立基本微分方程式求解。当求得壳体的内力后，再去回代返求网壳杆件的内力。因此，这是一种从离散等代为连续，再从连续回代到离散的分析方法，这种等代和回代的过程，自然要损失一些计算精度。我国学者对网壳结构的拟壳分析法作了大量的研究工作，取得了不少成果。对于球面网壳、双曲扁网壳、圆柱面网壳及四块组合型扭网壳的拟壳分析在文献[27～34]作了理论分析和试验研究。文献[3 5，36]研讨了扁网壳的动力分析。文献[37～39]研究和探讨了组合网壳的拟壳分析法。

五、网壳结构的节点构造

要使多根杆件组装而成的网壳结构能够整体工作，关键在于节点的连接构造。单层网壳的节点通常要求是刚接的，以便传递各杆传来的集中力和弯矩。双层网壳的节点常做成铰接，能传递各杆的轴力即可。我国常用的网壳节点大致有如下几种。

（1）板节点，适用于连接用钢、槽钢和工字钢截面的杆件。其中有十字形板节点、圆柱形板节点（用于某3万平米内浮顶油罐顶盖单层网壳）、盒形板节点（用于潍坊艺海大厦装饰穹顶网壳）等。

（2）焊接空心球节点，适用于钢管杆件的单、双层网壳结构。属于这一类节点体系的还有焊接空心鼓形节点[如图18(b)所示，曾用于汾阳网架公司铸造车间双曲扁网壳]和焊接空心半鼓半球节点[如图18(c)所示，曾用于益阳法院法庭四块组合型扭网壳]。后两种节点特别适宜于单层组合网壳结构，便于在施工时搁置钢筋混凝土带肋屋面板，如图18(b)，(c)所示。

（3）螺栓球节点，适用于钢管杆件的双层网壳及小跨度的单层网状球壳。

六、网壳结构的施工安装方法

我国已建网壳结构工程的施工安装方法归纳起来有以下几种。